La capa delgada y resbaladiza de cartílago entre los huesos de la rodilla es algo mágico: lo suficientemente fuerte como para soportar el peso de una persona, pero lo suficientemente suave y flexible como para amortiguar la articulación contra el impacto, durante décadas de uso repetido.todavía fuerte ha sido difícil de reproducir en el laboratorio. Pero ahora, los investigadores de la Universidad de Duke dicen que han creado un gel experimental que es el primero en igualar la resistencia y durabilidad del producto real.
El material puede parecer un primo lejano de Jell-O, que es, pero es increíblemente fuerte. Es 60% de agua, pero un solo disco de un cuarto de tamaño puede soportar el peso de una pesa rusa de 100 libras sin romperseo perder su forma.
Sus desarrolladores dicen que es el primer hidrogel, materiales hechos de polímeros que absorben agua, capaces de soportar tirones y cargas pesadas, así como el cartílago humano, sin desgastarse con el tiempo.
Dirigido por los científicos de química y materiales de Duke, Ben Wiley y Ken Gall, la investigación podría algún día ofrecer a las personas con problemas de rodilla un reemplazo de cartílago dañado, y una alternativa a las 600,000 cirugías de reemplazo de rodilla realizadas en los Estados Unidos cada año.
Un tejido gomoso liso que cubre los extremos de los huesos y les permite deslizarse suavemente uno contra el otro, el cartílago ayuda a absorber una gran cantidad de fuerza con cada paso, generalmente entre dos y tres veces su peso corporal.
Sin embargo, el cartílago también tiene una capacidad limitada para curarse y repararse a sí mismo. Una vez usado por la edad, el uso excesivo o el trauma, es difícil de tratar, dijo Gall, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke.
Para los pacientes que desean evitar o posponer un reemplazo de rodilla que puede durar solo 20 años, el cartílago artificial puede ayudar. Los hidrogeles se han explorado para su uso como sustituto del cartílago desde la década de 1970 y se usan en lentes de contacto blandas y pañales desechables. Investigadoresse sienten atraídos por estos materiales debido a sus propiedades resbaladizas y amortiguadoras y porque no dañan las células cercanas. Pero hasta ahora han demostrado ser demasiado débiles para usarse en articulaciones que soportan cargas como la rodilla.
El equipo de Duke se propuso cambiar eso. "Nos propusimos hacer el primer hidrogel que tiene las propiedades mecánicas del cartílago", dijo Wiley, profesor de química en Duke.
El nuevo hidrogel consta de dos redes de polímeros entrelazados: uno hecho de hilos elásticos tipo espagueti y el otro más rígido y en forma de cesta, con cargas negativas a lo largo de su longitud. Estos están reforzados con un tercer ingrediente, una malla de fibras de celulosa.
Cuando el gel se estira, las fibras de celulosa resisten la tracción y ayudan a mantener el material unido. Y cuando se aprieta, las cargas negativas a lo largo de las cadenas rígidas de polímero se repelen entre sí y se adhieren al agua, lo que ayuda a que recupere su forma original..
"Solo esta combinación de los tres componentes es flexible y rígida y, por lo tanto, fuerte", dijo el coautor Feichen Yang, quien obtuvo un doctorado en química en el laboratorio de Wiley.
Cuando los investigadores compararon el material resultante con otros hidrogeles, el de ellos fue el único que era tan fuerte como el cartílago bajo la compresión y el estiramiento.
En un experimento, el equipo lo sometió a 100.000 ciclos de tirones repetidos, y el material se mantuvo tan bien como el titanio poroso utilizado para los implantes óseos, "lo que superó nuestras expectativas iniciales", dijo el coautor William Koshut, PhDestudiante en el laboratorio de Gall.
También frotaron el nuevo material contra el cartílago natural un millón de veces. Descubrieron que su superficie lubrificante lisa y resbaladiza es tan resistente al desgaste como lo real y cuatro veces más resistente al desgaste que los implantes de cartílago sintético aprobados actualmente por la FDApara usar en el dedo gordo del pie
Mover el material del laboratorio a la clínica tomaría al menos otros tres años, dijo Wiley. Las pruebas de seguridad iniciales sugieren que el material no es tóxico para las células cultivadas en el laboratorio. El siguiente paso es diseñar un implante que puedan analizar en ovejas.
Pero el equipo dice que eventualmente la investigación podría ofrecer nuevas opciones para las personas con dolor de rodilla y hacer que vuelvan a hacer las cosas que aman sin los largos tiempos de recuperación y la vida limitada asociada con la reparación de cartílago o la cirugía de reemplazo de rodilla.
Este trabajo fue apoyado por Sparta Biomedical, una beca Paul M. Gross, una beca Marcus Hobbes y la Instalación de Instrumentación de Materiales Compartidos en Duke.
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